лаб_Датчики_мех_величин

Рис. П2.3. Устройство линейного магнитного датчика перемещения

Промышленные датчики магнитного типа могут быть повышенной точности до 1мкм, а магнитные ленты изготавливают протяжённостью до 200метров, на них нанесены корректирующие магнитные метки и метка нулевого положения.

К достоинствам магнитных линейных датчиков необходимо отнести устойчивость к химическим загрязнениям, жидкостям и пыли в рабочем зазоре, а также нечувствительность к вибрации.

Кратко рассмотрим линейные оптоэлектронные и магнитные преобразователи перемещения абсолютного типа.

Абсолютный линейный преобразователь перемещения относится к типу, который генерирует уникальный код для каждой позиции измерительной головки. В отличие от инкрементного преобразователя, счетчик импульсов не нужен, т.к. координата всегда известна. Абсолютный преобразователь перемещения формирует сигнал, как во время движения, так и в режиме покоя. Оптическая линейка абсолютного преобразователя перемещения отличается от линейки пошагового (инкрементального) преобразователя перемещения, так как имеет несколько дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции измерительной головки (рис. П2.4).

Рис. П2.4. Четырёхразрядный абсолютный преобразователь перемещения

– коды фотоприёмников измерительной головки

51

Абсолютный линейный преобразователь не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного линейного преобразователя не подвержен помехам и для него не требуется точная установка измерительной головки. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан фотоприёмниками или датчиками Холла, например, измерительная головка перемещается слишком быстро, правильное положение будет зарегистрировано, когда скорость перемещения уменьшится. Конструкция устойчива к вибрации и помехам.

В абсолютных преобразователях чаще всего используют вместо последовательного двоичного кода, код Грея. Код Грея – двоичная система нумерования, в которой два соседних значения различаются только в одном двоичном разряде. Использование кодов Грея имеет преимущество прежде всего в том, что минимизирует эффект ошибок при преобразовании аналоговых сигналов в цифровые.

Из таблицы П1 видно, что при переходе от одного числа к другому (соседнему) лишь один бит информации меняет свое состояние, если число представлено кодом Грея, в то время, как в двоичном коде могут поменять свое состояние несколько бит одновременно. Таким образом, Грей-код является так называемым одношаговым кодом, т.к. при переходе от одного числа к другому всегда меняется лишь какой-то один бит.

Таблица П2.1.

Погрешность при считывании информации с механической растровой линейки при переходе от одного числа к другому приведет лишь к тому, что переход от одного положения к другому будет лишь несколько смещен по времени.

52

Выдача совершенно неверного значения положения при переходе от одного положения к другому исключается.

Втабл. П2.1 биты, меняющие свое состояние, при переходе от одного числа к другому, выделены жирно.

Алгоритм построения кода Грея может быть формально представлен как результат сложения по модулю два исходной комбинации двоичного кода с такой же комбинацией, но сдвинутой на один разряд вправо. При этом крайний правый разряд сдвинутой комбинации отбрасывается.

Влабораторной работе подробно рассматриваются оптический и магнитный датчик линейного перемещения инкрементального типа, как сочетающий простоту и высокую точность при малых габаритах.

53

Приложение 3. Датчики частоты вращения

Тахогенераторы

Тахогенераторами называются электрические машины небольшой мощности, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал.

Главное требование, предъявляемое к тахогенераторам, заключается в линейности выходной характеристики – пропорциональной зависимости между выходным напряжением U и угловой скоростью вращения n:

где: k, k’ – коэффициенты пропорциональности; φ – угол поворота.

Из уравнения видно, что тахогенеpатоpы можно использовать для измерения скорости вращения и для электромеханического дифференцирования, если за входной сигнал принять угол поворота ротора.

По роду тока тахогенераторы можно разделить на ТГ переменного и ТГ постоянного тока.

Тахогенераторы постоянного тока по конструкции и принципу действия представляют собой электрическую машину постоянного тока всегда с независимым возбуждением, чаше всего магнитоэлектрические с возбуждением основного магнитного поля с помощью постоянных магнитов (рис. П3.1б), реже – с электромагнитным возбуждением, обусловленным МДС обмотки возбуждения, питаемой от независимого источника электрической энергии постоянного напряжения (рис. П3.1а).

Рис. П3.1. Тахогенератор постоянного тока

На рис. П3.2 представлены выходные характеристики тахогенератора постоянного тока. Их анализ позволяет сделать следующие выводы:

1)характеристики начинаются не из нуля – появляется зона нечувствительности, в пределах которой выходное напряжение равно нулю;

2)характеристики нелинейные с различной крутизной: чем меньше сопротивление нагрузки, тем меньше крутизна.

54

Рис. П3.2. Выходные характеристики тахогенератора постоянного тока

При использовании тахогенераторов необходимо учитывать следующие погрешности:

1.Зона нечувствительности обуславливается падением напряжения в переходном контакте между щеткой и коллектором. Для ее уменьшения применяют щетки с малым переходным сопротивлением (медно-графитовые или се- ребряно-графитовые), а в прецизионных тахогенераторах используют проволочные щетки с серебряным, золотым и даже платиновым покрытием.

2.Влияние реакции якоря проявляется в нелинейности выходной характеристики. С целью ее ослабления магнитную цепь тахогенератора выполняют либо слабо, либо сильно насыщенной. И в том и в другом случае рабочая точка лежит на линейной части характеристики, где размагничивающее действие поперечной реакции якоря сказывается незначительно.

3.Температурная погрешность связана с изменением сопротивления обмотки якоря и особенно обмотки возбуждения, если последняя имеется. (При

увеличении температуры меди на 50°С ее сопротивление увеличивается на 20%). При увеличении сопротивления обмотки возбуждения уменьшается ток, магнитный поток и выходное напряжение тахогенератора. Температурную погрешность можно уменьшить различными путями. Например, включением последовательно с обмоткой возбуждения терморезистора, стабилизирующего сопротивление всей цепи. Достаточно эффективный способ – сильное насыщение магнитной цепи. В этом случае даже значительные колебания тока возбуждения весьма слабо отражаются на колебаниях магнитного потока возбуждения.

В тахогенераторах с постоянными магнитами подобной проблемы практически не существует, а изменение сопротивления обмотки якоря приводит к очень небольшим погрешностям.

4. Асимметрия выходного напряжения в тахогенераторах возникает из-за смещения щеток с геометрической нейтрали (при сдвиге щеток с нейтрали, возникает продольная реакция якоря, которая носит намагничивающий характер при одном направлении вращения (рис. П3.3а) и размагничивающий при другом (рис. П3.3б)). Для устранения этой погрешности надо очень точно устанавливать и надежно закреплять щеточный узел, не допускать люфтов в щеткодержателях.

55

Рис. П3.3. Причины асимметрии выходного напряжения

5. Пульсация выходного напряжения является специфической погрешностью тахогенератора постоянного тока. Различают зубцовые, якорные и коллекторные пульсации.

Зубцовые пульсации обуславливаются зубчатым строением якоря, что приводит к периодическому изменению проводимости воздушного зазора. С целью устранения зубцовых пульсаций выполняют скос пазов, выбирают такую ширину полюсного наконечника, в пределах которой укладывается целое число зубцовых делений (рис. П3.4). Иногда применяют магнитные клинья.

Рис. П3.4. Зубцовые пульсации тахогенераторов постоянного тока

Якорные пульсации обуславливаются неравномерным воздушным зазором, неодинаковой магнитной проводимостью вдоль и поперек проката. Для ослабления этой причины выполняют относительно большой зазор, по высокому классу точности обрабатывают посадочные поверхности, применяют высококачественные подшипники, выполняют веерообразную шихтовку сердечника якоря.

Коллекторные пульсации возникают из-за конечного числа коллекторных пластин, неплотного прилегания щеток, вибраций щеточного узла. Для их устранения выполняют максимально возможное число коллекторных пластин, тщательно подбирают ширину щеток, улучшают качество изготовления щеткодержателей, коллектора и т.д.

В табл. П3.1 представлены технические характеристики изучаемого тахогенератора, а на рис. П3.5 представлены его конструктивные размеры.

Рис. П3.5. ГабаритныеразмерытахогенератораТГП-1

56

Таблица П3.1

Инкрементальныйоптическийэнкодер

Принцип работы оптического энкодера основан на пересечении луча оптопары (светодиоды и фототранзисторы) с размеченным диском, установленным на валу (рис. П3.6).

Рис. П3.6. Принципдействияоптическогоэнкодера

В зависимости от частоты разметки диска определяется разрешающая способность датчика и, как следствие, точность измерения перемещения. Существует несколько разновидностей энкодеров, наиболее используемые из которых инкрементальный (импульсный), где происходит последовательный счет меток перемещения и абсолютный, когда для каждого положения вала существует индивидуальный бинарный код.

Абсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет уникальный код для каждой позиции вала. Счетчик импульсов в таком энкодере не нужен, т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал, как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек (рис. П3.7). Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

Абсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера не подвержен помехам, и для него не требуется точная установка вала. Кроме то-

57

го, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером, если, например, вал вращается слишком быстро, правильный угол вращения будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.

Рис. П3.7. Кодовый диск абсолютного энкодера

Инкрементальные оптические энкодеры используются в тех случаях, когда сохранение абсолютного углового положения вала при выключении питания не требуется. Например, для контроля скорости вращения или для точного позиционирования объекта.

Инкрементальный оптический энкодер, как правило, состоит из пяти компонентов: источника света, пошагового диска, маски, фотодетекторной сборки, и сигнального процессора. Внутри энкодера жестко с валом закреплен прозрачный диск с темными рисками. Количество рисок определяет количество импульсов за поворот. К примеру, если на диске нанесено 1000 отметок, тогда после 250 импульсов вал должен повернуться на 90 градусов. Источник света и фотоприемник расположены по разные стороны от диска. Количество света, приходящего на фотоприемник, меняется в зависимости от положения рисок. Электронная плата преобразует сигнал с фотоприемника в дискретный выходной сигнал. Количество импульсов сигнала на один оборот вала в самом простом случае совпадает с количеством рисок на диске. Для повышения точности инкрементальных энкодеров используют метод экстраполяции.

Кодовые диски инкрементальных энкодеров содержат фиксированное число непрозрачных линий, расположенных на равном друг от друга расстоянии, число которых соответствует числу импульсов на оборот. Энкодер с заданным разрешением имеет свой уникальный кодовый диск, который не может быть использован для производства энкодера с другим разрешением. Положение линий и расстояние между ними на диске требует высокой степени точности. Физические факторы определяют максимальное число линий, которые можно нанести на кодовый диск определенного размера.

Одноканальный (однооборотный, канал А) энкодер, или тахометр, исполь-

зуется в оборудовании, которое имеет только одно направление вращения и нуждается в простой информации о его скорости. Скорость можно рассчитать,

58

оперируя одним из показателей: временной интервал между импульсами или число импульсов за определенный интервал времени.

Квадратурные энкодеры имеют два канала, А и В, которые электрически сдвинуты по фазе на 90 градусов. Таким образом, направление вращения можно определить по фазовому соотношению двух каналов. Кроме того, с помощью двухканального энкодера можно добиться четырехкратного улучшения разрешения посредством внешней системы подсчета задних и передних фронтов каждого канала (А и В). Например, энкодер, производящий 2 500 импульсов на оборот, может генерировать 10 000 отсчетов.

Рис. П3.8. Выходныесигналыинкрементальногоэнкодера

Дифференциальный выход. Корректная информация о положении объекта зависит от хорошей системы шумоподавления (внешний электрический шум может стать причиной ошибочных сигналов энкодера). Энкодер с комплиментарными выходами и схемой управления на операционных усилителях может минимизировать влияние внешнего шума. Когда сигнал канала А находится в высоком состоянии, его комплиментарный канал Ā переключается в низкое состояние. Электрический шум будет влиять на оба канала одинаково, поэтому легко вычищается дифференциальными операционными усилителями.

Нулевой импульс. Нулевой или маркерный импульс – это квадратный сигнал, который передается раз на оборот. Он используется как опорный сигнал для определения механического положения, особенно в процессе обслуживания оборудования или его запуска после выключения питания.

Полоса пропускания. Разрешение энкодера и скорость вращения вала определяют частоту выходного сигнала.

Технические данные рассматриваемого энкодера представлены в табл. П3.4, а внешний вид и габаритные размеры энкодера на рис. П3.9

59

Рис. П3.9. Внешний вид и габаритные размеры инкрементального оптического энкодера TRD-S

60